I Portoghesi, guidati dal principe Enrico il Navigatore (1394-1460), affrontarono il problema della navigazione in modo innovativo, quando iniziarono i grandi viaggi di esplorazione lungo la costa occidentale dell'Africa. Nel 1420 furono colonizzate le Isole Canarie, e nel 1433 fu il turno delle isole Azzorre. In questo periodo fu studiato con cura il sistema di venti dell'Oceano Atlantico, e presto i marinai si convinsero che sarebbero sempre potuti tornare a casa, sia che si muovessero verso Sud, sia che navigassero verso Ovest. Infatti scoprirono che la direzione del vento dominante cambiava con la latitudine e con la stagione.
Questi viaggi venivano intrapresi principalmente per aggirare l'impero islamico e raggiungere l'Oriente e, in parte, per soddisfare il desiderio di scoperte del principe Enrico. Fu lo stesso principe a volere a Sagres una scuola, dove si insegnava ad usare i metodi più comuni di navigazione e l'uso di semplici strumenti astronomici.

Lo strumento astronomico, comunemente utilizzato, era un quadrante di legno con due mire fissate su un lato e un filo a piombo, che permetteva di rilevare l'altezza di un astro. Si raccomandava agli ufficiali di osservare la stella Polare nel porto di partenza e di segnare il punto in cui il filo a piombo passava sul bordo dello strumento, cioè di conservare questa misura. Durante il viaggio il navigante prendeva nota della posizione della polare corrispondente a fiumi, promontori ed estuari, in modo che il cartografo potesse ricavarne la latitudine e riportarli correttamente sulla carta geografica. A causa del moto apparente della Polare attorno al polo nord celeste, si raccomandava al navigante di osservare la stella quando le Guardas, cioè le ultime due stelle del Piccolo Carro, fossero state in una posizione assegnata, in modo da tener conto del fatto che la polare non coincide esattamente con il Polo Nord Celeste.

La costellazione dell'Orsa Minore con la posizione della stella
polare e delle "guardas" rispetto al polo nord celeste

Con questo sistema, quando il navigante voleva recarsi in un luogo la cui altezza polare fosse riportata sul suo quadrante, non doveva fare altro che navigare verso Nord o verso Sud fino a che la Polare non avesse avuto l'altezza voluta e poi muoversi verso Est o verso Ovest, a seconda di casi. In seguito fu insegnato ai naviganti come convertire le differenze di gradi di altezza in leghe, per conoscere di quanto si era navigato nella direzione Nord-Sud, moltiplicando i gradi per 16 e due terzi.

Nel 1471 fu attraversato l'Equatore, e quindi la stella Polare non poteva più essere utilizzata per navigare. Re Giovanni II del Portogallo nominò una commissione che, nel 1485, risolse il problema. Fu pubblicata una tabella che riportava l'altezza del Sole, al passaggio al meridiano, nei diversi giorni dell'anno, alle diverse latitudini.

Astrolabio nautico esposto nel Museo di Storia della Scienza di Firenze

Il quadrante, con il suo filo a piombo, non era uno strumento molto pratico da usarsi in mare. Ben presto fu soppiantato dall'astrolabio e dalla balestriglia. Inventata dall'astronomo provenzale Levi Ben Gerson, la sua introduzione a bordo delle navi portoghesi segue di poco il grande viaggio di Vasco de Gama del 1498 che, nella sua traversata dell'Oceano Indiano, aveva conosciuto il kamal ,uno strumento arabo di caratteristiche simili.

Astrolabio europeo del XVI secolo

L'astrolabio è uno strumento di calcolo oltre che di misura e contiene, inoltre, la posizione del Sole e delle principali stelle in coordinate equatoriali assolute. Il cerchio eccentrico nella fotografia rappresenta l'eclittica, cioè il cammino apparente annuo del Sole. Conoscendo la data è possibile ricavare l'ascensione retta e la declinazione dell'astro. Le fiammelle rappresentano alcune stelle, si riconosce Spica della costellazione della Vergine.

I nuovi metodi di navigazione adottati dai portoghesi si diffusero velocemente in Spagna e in tutte le marinerie occidentali.

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